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泛喜马拉雅高山姜科植物的演化与亚洲重要地质历史事件有关

有关板块运动和生物进化之间关系的研究一直吸引着地质学家和生物学家的关注。DNA作为构建生物体的指挥中心,它的序列组成会随着环境的变迁而改变。就像化石和地层信息一样,DNA中的这些变化蕴藏着丰富的物种进化信息,能反映地质历史的变迁及其相伴的气候变化。印度板块和欧亚板块的碰撞是地球上最重要的地质构造过程之一,由此引起的一系列地质变迁塑造了亚洲的地质地貌和气候环境。喜马拉雅-青藏高原的隆升和中南半岛的侧向滑动是这些地质变迁中最为重要的事件,但这些地质历史事件的发生时间和过程也一直是地学界争论的焦点。然而,这些地质变迁在改变亚洲环境的同时也导致了广泛的物种演化,通过对现有物种间的进化关系的研究,可以为这些地质历史事件提供不同视角的佐证。

  姜科是一个泛热带分布的单子叶植物大科,该科中95%以上的物种分布于热带和亚热带低海拔地区。但其中的距药姜属(Cautleya)和象牙参属(Roscoea)却分布在喜马拉雅山脉地区和中南半岛北部的横断山中、高海拔地区,是姜科植物中两个非常特殊的类群。距药姜属只有两个种,从中南半岛到喜马拉雅西部地区连续分布;它们的花序都是顶生,花色鲜艳,花冠管短,适于泛性传粉者传粉;果实具有鲜红色的果皮,成熟开裂后露出亮黑色的种子,极为显眼,适合于鸟类传播,传播距离长,不同分布地间的基因交流容易。而象牙参属植物有近21个种,花序大都基生,花色鲜艳但花冠管很长,需要特殊的传粉者为其传粉;果实绿色不鲜艳,种子很小具有油质体,是典型的蚁传(蚂蚁传播种子)植物,传播距离短,不同斑块间基因交流困难;象牙参属植物在喜马拉雅山脉地区和中南半岛北部形成明显的间断分布,中间被一个500公里宽的空白地带分隔,这种分布模式可能与其分布区的地质历史变迁密切相关,特别是喜马拉雅-青藏高原的隆升和中南半岛的侧向滑动。

  中国科学院西双版纳热带植物园李庆军研究员和他的研究团队一直试图从进化生态学和生物地理学的角度解释两个属分布式的形成机制。最近,赵建立博士等基于系统进化发育和物种分化时间的分子钟标定,重建了距药姜属和象牙参属的演化历史,试图探讨它们的物种分化和分布格局与喜马拉雅地区地质历史事件之间的关系。研究结果显示距药姜属和象牙参属的共同祖先从中低海拔分布的姜花属植物中分化出来的时间大约是4400万年前,这两个属又在大约3200万年前分开,这两个时间节点恰好与喜马拉雅-青藏高原的前两次快速隆升相吻合;而喜马拉雅地区与横断山地区分布的象牙参属植物又是在大约2300万年前分开的,这个时间节点也与喜马拉雅-青藏高原的第三次隆升及其相伴的中南半岛快速侧向滑动相吻合。这种分布格局与它们的繁殖和散布特性相关:距药姜属植物依靠广谱昆虫授粉和鸟类传播种子,易于扩散、基因交流频繁,因而种类相对较少、分布连续;象牙参属植物依靠专性昆虫授粉和蚂蚁传播种子,扩散缓慢、基因交流困难,被中南半岛的快速侧向滑动“撕裂”成两个不连续的分布区以后,分别在两地形成完全不同的种类。

  该研究成果是世界上首次利用一个类群的植物物种间的分化历史来印证多个重大地质历史事件,特别是为喜马拉雅-青藏高原的隆升时间和过程,以及中南半岛的快速侧向滑动时间和速度提供了一个独特的视角。同时,本研究结果还提示要关注不易移动和交流的小型草本植物——它们的物种形成和演化过程可能蕴藏着比高大乔木和可移动的动物更多的进化信息,可以用来更好的解读漫长的地质历史和气候变化过程。研究论文Evolutionary diversification of alpine ginger reflects the early uplift of the Himalayan-Tibetan Plateau and rapid extrusion of Indochina被国际著名地学期刊Gondwana Research接受并已在线发表。本研究得到国家自然科学基金联合基金(U1202261)、科技部重大基础研究项目(2007CB411603)和中科院“一三五”项目的支持。

象牙参属植物的花(A)和种子(C)及距药姜属植物的花(B)和种子(D)

象牙参属和距药姜属的演化时间节点与对应的板块运动时间相吻合